自從140年前第一個商用白熾燈泡問世以來，發光二極體(LED)燈泡是照明領域最大的進展。LED燈泡的優點眾多，並且有憑有據。相較於現今的白熾燈泡，至少可節省75%的能源，延長使用壽命達50倍以上。目前的LED燈泡比先前的產品已有明顯的改進。它們產生的熱量極少，無紫外線或紅外線輻射，不含汞、耐衝擊，在極端環境下也能穩定運作。
下一波照明革命的浪潮即將到來，智慧連網照明為LED燈泡增加無線連接和連網功能，不僅能簡單的控制開/關，還創造出更多的機會。一般民眾可以透過簡單的智慧型手機應用程式或語音助理來調整亮度、色溫和定時，甚至在旅行時遠端控制燈光。
其他前所未聞的應用包括無線接近感測器觸發的智慧燈泡，晚上當經過房屋或建築物時自動照亮走廊和房間，或是臥室照明在早晨會將使用者逐漸喚醒，或醫院照明利用色彩放鬆情緒、促進健康與康復。智慧連網照明帶來的便利性和好處是說不盡的。
相較於傳統照明，智慧照明仍處於發展初期，但是在住宅、商業和工業市場中，智慧照明的採用率正穩定增加，這在一定程度上受益於綠色能源激勵措施和法規的採用，例如California Title 20。根據研究和市場預測，至2022年全球智慧照明市場將達到240億美元，2018年至2023年的複合年成長率(CAGR)將高達21%。
隨著越來越多的「物」互連互通及消費者逐漸接受智慧家庭技術，對智慧連網照明的採用和需求也將持續增加。這就是為什麼Acuity Brands、Cree、Eaton、GE Lighting、Philips/Signify、Osram和許多其他頂尖照明品牌，不僅競相推出智慧型LED產品，還提供簡易部署、可交互操作、安全且可升級的完整照明生態系統的原因。
智慧型LED設計需注意無線協定/網路安全
以經濟高效的方式在LED燈泡中實現無線連接，將為照明OEM廠商帶來一系列新的設計和實施的挑戰。例如，智慧型LED燈泡必須滿足嚴格的RF法規要求、嚴苛的效能標準、耐高溫以及嚴格的產品外型尺寸和空間限制。照明開發人員還必須考量裝置和網路的安全性，確保智慧型LED燈泡與任何其他連網的IoT產品一樣，能夠抵抗惡意的駭客攻擊。
另一個關鍵的設計考量是無線協定的選擇。許多可連接的燈泡都在2.4GHz頻段運行，並採用幾種普遍標準的短距離無線協定之一，例如Zigbee、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Mesh或Wi-Fi。採用標準的協定有助於實現與一般消費產品(例如語音助理、智慧型手機和平板電腦)的互動，毋須啟用自訂閘道的其他網路基礎設施產品。某些智慧型LED設計可能需要多重協定連接，例如支援Bluetooth Low Energy進行裝置設定和控制，以及透過閘道控制大規模節點的Zigbee照明Mesh網路的能力。
是否透過藍牙或Zigbee標準之外的專有無線協定也是一種選項。雖然在短期內實現專有無線協定可能很簡單且具備成本效益，但這種選擇可能會帶來互操作性和可升級性的長期挑戰。基礎標準的無線解決方案推動了大量生產，從長遠來看可能是更經濟高效的選擇。在眾多可用選項中，選擇適合的無線技術和供應商，需要對RF設計以及效能權衡和風險有更深入的瞭解。智慧型LED設計也必須滿足傳統照明產品所不需要的無線標準和法規效能需求，例如電磁(EM)輻射和耗能。
智慧照明實施挑戰
為了將新型智慧型LED產品推向市場，照明OEM廠商還面臨一些有關工程和營運資源的實施挑戰：
．發展專業知識並分配資源來施行並成功完成標準和法規的認證測試，例如FCC和CE認證。
．需考量確保產品部署到現場後產品功能和安全性升級的設置，通常透過無線(OTA)更新。
．管理物料採購和多種元件的庫存。
．檢驗在智慧家庭或智慧建築中，與其他無線IoT產品和生態系統的互相操作性。
．優化物料清單(BOM)和開發成本，提供具備成本競爭力的產品，同時滿足嚴格的生產計畫並縮短上市時間。
雖然對於缺乏RF經驗和專業知識的開發人員而言，為LED燈泡增加無線連接可能是一項困難的任務，但現在可以使用預先認證的無線模組解決方案，來簡化智慧型LED產品設計的任務，可大幅減少照明OEM廠商所面臨的眾多挑戰。
無線模組提供一個全方位的隨插即用解決方案，整合開發人員完成LED設計中連接部分所需的關鍵元件。模組供應商已經完成了天線設計、阻抗匹配、被動元件的調諧和整合，以及協定開發等以RF為中心的艱巨任務。對於可能缺乏RF或協定專業知識的OEM廠商而言，這項工程和整合工作帶來極大的好處。此外，無線模組通常含有所有必要軟體，包括所選的協定堆疊。模組供應商也提供簡易使用的開發工具，來支援和簡化設計和調試過程。
在LED設計中使用無線模組，照明OEM廠商毋需擔心管理天線、晶體振盪器和被動元件等眾多RF元件的採購和庫存。此外，同一模組還可應用於多個照明產品，更進一步簡化採購和庫存管理。
模組解決方案讓智慧照明設計更簡單
在評估LED設計的模組選項時，照明OEM廠商應尋找專為互連照明應用的特定需求而設計的解決方案。
例如，Silicon Labs的MGM210L和BGM210L模組，是照明市場上首批針對應用優化的模組產品。MGM210L模組支援Zigbee和Thread，以及動態多重協定連接(例如Zigbee和Bluetooth Low Energy)。BGM210L設計用於Bluetooth Low Energy或Bluetooth Mesh。這兩個新型模組可以簡化和加速開發功能豐富、顏色選擇和調節亮度的LED燈，同時讓開發人員能夠利用藍牙、Zigbee和Thread的Mesh生態系統。
除了上述所提的模組外，另一款xGM210L模組則是基於Silicon Labs Series 2系列的EFR32xG21無線系統單晶片(SoC)，其週邊裝置針對照明應用進行了優化。此SoC包括低功耗的Arm Cortex-M33處理器核心；充足的記憶體可以支援動態多重協定操作和OTA韌體更新，確保智慧照明產品滿足未來需求；以及高效能2.4GHz RF收發器可以支援802.15.4、Bluetooth Mesh協定和Bluetooth Low Energy。無線電透過單一協定或多重協定連接處理無線網路功能。整合式的RF功率放大器使xGM210L模組能夠處理需要數百公尺視距連接的遠端應用。
該元件的高能效模組可提供較低的運作功耗水準，該功耗水準已被優化以滿足California Title 20裝置效能法規。許多運往美國市場的照明產品必須符合California Title 20法規，針對照明控制裝置的製造商進行認證。
總結來說，模組解決方案能幫助照明OEM廠商縮短與RF設計、協定優化和法規認證相關的研發週期，像是xGM210L模組經過北美(FCC和ISED)、歐洲(CE)、韓國和日本的預先認證，可將與全球無線認證相關的時間、成本和風險因素降至最低，有助照明OEM廠商縮短數月的產品上市時間。另外，隨著製造商為更多LED產品增加RF連接，小型燈泡設計帶來複雜的尺寸、功率和散熱限制，以現有的無線解決方案無法輕鬆解決，模組解決方案也可解決這些限制。
同時，安全性是智慧型LED產品的另一項重要考量。近期有媒體報導駭客透過LED燈泡入侵智慧家庭網路，使消費者和照明開發商開始意識到，從燈泡連接到雲端對安全性的迫切需求。照明OEM廠商應尋找能夠提供內建硬體安全功能的模組，並且毋需增加成本，使開發人員能夠在智慧型LED產品中實現最佳安全性。
此外，完整的模組解決方案應有強大的無線軟體協定堆疊，使開發人員能夠選擇標準協定，例如Zigbee、Thread、Bluetooth mesh和Bluetooth Low Energy。另外，開發人員應該期望完整的軟體支援，包括強大的軟體開發套件(SDK)和進階工具，有助驗證網路效能並輔助調試，優化智慧照明應用的效能和功耗。
毫無疑問的，智慧型LED燈泡產品在住宅、商業和工業市場中越來越受歡迎。現在可以使用全面的硬體和軟體解決方案簡化連網照明產品的開發。應用優化的無線模組現已上市，有助縮短上市時間，降低開發和認證成本，並解決OEM廠商可能面臨的諸多無線設計挑戰。
(本文作者為Silicon Labs物聯網模組產品經理)
